SELBSTHALTEMAGNET MIT BESONDERS KLEINER ELEKTRISCHER AUSLÖSELEISTUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der elektromagnetischen Aktoren.

[0002] Sogenannte Selbsthaltemagnete sind allgemein bekannt und gebräuchlich (siehe z.B.: E. Kallenbach, R. Eick, P. Quendt, T. Ströhla, K. Feindt, M. Kallenbach: Elektromagnete (2008), Kap. 9.2 Polarisierte Magnete, S. 298).

[0003] Es handelt sich bei diesen um permanent polarisierte, abschaltbare Elektromagnete: Mit Hilfe von Permanentmagneten können Selbsthaltemagnete einen (Magnet-) Anker in mindestens einer Lage stabil halten, wobei bedarfsweise vermittels einer Spule ("Auslösespule") eine Gegenerregung erzeugt werden kann, welche das permanentmagnetisch erzeugte Feld so weit kompensiert, dass die Ankerposition nicht länger stabil ist. Es ist bekannt, in Selbsthaltemagneten einen magnetischen Nebenschluss vorzusehen. Bezüglich des permanentmagnetisch erzeugten Flusses ist der Nebenschluss mit dem oder den Arbeitsluftspalten des Ankers parallel geschaltet. Bezüglich des von der Spule erzeugten Flusses sind sie aber in Reihe geschaltet. Der Nebenschluss vermindert damit einerseits die zur Kompensation des permanentmagnetisch erzeugten Feldes erforderliche elektrische Leistung; andererseits werden der oder die Permanentmagnete vor Entmagnetisierung geschützt. Oftmals werden Selbsthaltemagnete mit Federn kombiniert und bilden mit diesen elektrisch auslösbare Federspeicher. Die Feder wirkt also auf den Anker, um den oder die Arbeitsluftspalte zu öffnen. Der Selbsthaltemagnet ist aber so ausgelegt, dass er bei Unterschreitung eines gewissen Mindestluftspaltes, es bleibt ein Restluftspalt, die Feder in gespanntem Zustand zu halten vermag.

[0004] Durch Bestromen der Auslösespule kann eine Gegenerregung so erzeugt werden, dass die magnetische Haltekraft geringer wird als die Federkraft und der Anker sich in Bewegung setzt, wobei die zuvor in der Feder gespeicherte elastische Energie genutzt werden kann, Arbeit zu verrichten. Derartige "magnetische Federspeicher" werden beispielsweise als Auslöser, insbesondere Fehlerstromauslöser, in elektrischen Schaltgeräten, zum Beispiel Leistungsschaltern, gebraucht. Allgemein bekannt ist auch die Verwendung als Fehlerstromauslöser in Fehlerstrom-Schutzschaltern. Daneben werden sie in Verriegelungseinheiten verwendet ("Verriegelungsmagnete"), wobei das Spannen mechanisch erfolgen kann oder auch durch umgekehrte Erregung des Magneten mit Hilfe der Spule (Erregung statt Gegenerregung wie beim Auslösen). Um das magnetische Spannen zu erleichtern, kann von einer Kennlinienbeeinflussung Gebrauch gemacht werden, wodurch sich bei voll geöffnetem Arbeitsluftspalt weitaus höhere Kraftkonstanten ergeben können.

[0005] Ein Selbsthaltemagnet gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der WO 99/33078 bekannt. Weitere Selbsthaltemagnete sind aus DE 10 2011 014192 A1, DE 943 479 C, US 6 130 594 A, GB 765 411 A, US 3 444 490 A und US 2 130 870 A bekannt.

[0006] In batteriebetriebenen Verriegelungseinheiten ist ein geringer Auslösestrom besonders wünschenswert. Gleiches gilt für die Auslöser elektrischer Schaltgeräte, und zwar insbesondere für Fehlerstromauslöser eigenversorgter Nieder- und Mittelspannungsschaltgeräte. Auslöser, vor allem Fehlerstromauslöser, sollen ferner möglichst schnell reagieren, also geringe Totzeiten aufweisen. Von solchen Auslösern ist außerdem zu fordern, dass sie so ausgelegt werden können, dass nicht eine zu hohe Gegenerregung das Auslösen unbeabsichtigt verhindert oder unzulässig verlangsamt: Eine Überkompensation des permanentmagnetisch erzeugten Feldes und damit der zugehörigen Haltekraft kann nämlich die Ausbildung einer Haltekraft infolge des mit dem Auslösestrom verketteten Flusses zur Folge haben, sodass der Selbsthaltemagnet verzögert oder überhaupt nicht auslöst. Gleichsam müssen Auslösemagnete natürlich recht erschütterungsunempfindlich sein, die unbeabsichtigte Auslösung infolge von Schlägen oder sonstigen Erschütterungen soll stark erschwert sein, weshalb die gewünschte hohe elektrische Empfindlichkeit - also die gewünscht niedrigen Auslöseströme bzw. -leistungen - nicht einfach realisiert werden können, indem magnetische Haltekraft und Federkraft einander möglichst nah angeglichen werden.

[0007] Damit ist die erfinderische Aufgabe gestellt: Selbsthaltemagnet mit Feder ("magnetischer Federspeicher"), der im Vergleich zu bekannten Typen eine besonders niedrige elektrische Auslöseleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sebsthaltemagnet gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] Die Erfindung geht von einem Selbsthaltemagneten mit Feder aus, wobei der Selbsthaltemagnet einen Anschlag für den Anker sowie einen magnetischen Nebenschluss aufweist. In gespanntem Zustand wird der Anker des Selbsthaltemagneten gegen die Federkraft permanentmagnetisch gehalten, der Arbeitsluftspalt (oder die Arbeitsluftspalte, falls ein Anker mit mehreren Polflächen verwendet wird) ist bis auf einen durch den Anschlag gegebenen (Arbeits-)Restluftspalt geschlossen, wobei der Rahmen des Selbsthaltemagneten (als Ankergegenstück) selbst als Anschlag dienen kann, ggf. mit einer Antiklebfolie o.ä..

[0009] Dabei weist der Nebenschluss eine besonders geringe Reluktanz auf: Erfindungsgemäß ist der Nebenschluss so zu bemessen, dass seine Reluktanz im gespannten Zustand von gleicher Größenordnung und möglichst gleich groß ist wie die Reluktanz des (Arbeits-)Restluftspaltes (oder der Summe der Reluktanzen der Arbeitsrestluftspalte, sofern eine Reihenschaltung mehrerer Arbeitsluftspalte vorhanden ist; dies ist bspw. bei Polplatten der Fall, bei denen zwei Pole an derselben Fläche angreifen).

[0010] Bezüglich des permanentmagnetisch erzeugten Flusses sind Arbeitsluftspalt(e) und Nebenschluss magnetisch parallel geschaltet. Bezüglich des von der Spule erzeugbaren Flusses sind sie aber in Reihe geschaltet. Die Reluktanz des Nebenschlusses ist, wie gesagt, von gleicher Größenordnung wie die Reluktanz des (Arbeits-)Restluftspaltes und möglichst gleich groß wie diese. Flussführende parasitäre Restluftspalte sind entsprechend ihrer Anordnung ebenfalls zu berücksichtigen. Jedenfalls führt eine elektrische Gegenerregung des Selbsthaltemagneten dazu, dass die Flussdichte in dem/den Arbeitsluftspalt(en) vermindert wird, während die Flussdichte im Nebenschluss steigt.

[0011] Der Nebenschluss-Teilkreis kann außerdem bezüglich der in ihm auftretenden flussführenden Querschnitte so ausgeführt werden, dass infolge magnetischer Sättigung die Reluktanz des von der Spule "gesehenen" Eisenkreises mit zunehmender Gegenerregung derart zunimmt, dass auch eine vergleichsweise starke Gegenerregung den Anker nicht wider die Federkraft festzuhalten vermag (denn die Flussdichte im Nebenschluss steigt mit zunehmender Gegenerregung). Zu diesem Zweck kann der Nebenschluss-Teilkreis über eine gewisse (Mindest-)Länge einen möglichst konstanten, kleinsten effektiven Querschnitt besitzen. Der Nebenschluss kann geometrisch definiert sein; er kann aber auch aus einem weichmagnetischen Werkstoff vergleichsweise niedriger (makroskopischer) Permeabilität, insbesondere einem Sinterwerkstoff mit verteiltem Luftspalt, gebildet werden, was die Fertigung vereinfachen kann.

[0012] Im Gegensatz zu bekannten Selbsthaltemagneten weist ein erfindungsgemäßer Selbsthaltemagnet außerdem einen federnden Anschlag auf.

[0013] In herkömmlichen Selbsthaltemagneten mit Feder ("Speicherfeder") kann der Anschlag in guter Näherung als starr betrachtet werden. In diesen Antrieben setzt sich deshalb der Anker erst in Bewegung, wenn infolge der elektrischen Gegenerregung die magnetische Haltekraft die angreifende (ablösende) Federkraft der Speicherfeder unterschreitet. Dies ist nicht der Fall, wenn der Anschlag selbst einzufedern in der Lage ist. Allerdingssoll, um der Forderung nach kleinen Auslöseleistungen bei hinreichender Erschütterungsunempfindlichkeit gerecht zu werden, der mit Hilfe des Anschlags hergestellte Restluftspalt klein sein. Entsprechend soll der federnde Anschlag von geeigneter Steifigkeit sein: Einerseits soll der Anschlag weitaus steifer sein als die der elastischen Energiespeicherung dienende "erste" Feder des Selbsthaltemagneten ("Speicherfeder"). Andererseits soll der federnde Anschlag aber weitaus weniger steif sein, als es ein massiver Anschlag (aus einem Eisenwerkstoff) wäre. Erfindungsgemäß ist der Anschlag 100- bis 10.000-mal steifer als die "erste" Feder (Speicherfeder). Dabei soll der Anschlag keineswegs eine lineare Kennlinie besitzen, sondern kann beispielsweise auch degressiv sein und mit Hilfe von Biegefedern, insbesondere einer Tellerfeder, aufgebaut werden. Der federnde Anschlag kann auch vorgespannt werden. Ferner kann der Anschlag einstellbar ausgestaltet werden, zum Beispiel mit Feingewinden, sodass seine Vorspannung und/oder Ruhelage eingestellt werden können, um die Auslösecharakteristik abzustimmen. Zusammengefasst bilden die "erste" Feder (Speicherfeder) und die "zweite" Feder, nämlich der federnde Anschlag, bezogen auf ihre Wirkung auf den Anker gemeinsam eine kombinierte Feder mit höchst progressiver Kennlinie. Der federnde Anschlag lässt zu, dass bereits eine sehr kleine Gegenerregung eine gewisse (kleine) Bewegung des Ankers zur Folge hat. Da aber erfindungsgemäß der Nebenschluss eine sehr kleine Reluktanz aufweist, führen schon sehr kleine Auslenkungen des Ankers aus seiner (geschlossenen, gespannten) Hubanfangslage dazu, dass der Fluss über den Nebenschluss erheblich zu- und der Fluss über den (oder die) Arbeitsluftspalt(e) merklich abnimmt, wobei sich die zugehörige magnetische Haltekraft natürlich proportional zum Quadrat der Flussdichte im Arbeitsluftspalt entwickelt. Die kleine Auslenkung des Ankers, die infolge des federnden Anschlags bereits von einer kleinen Gegenerregung bewirkt wird, führt also infolge der sich ändernden Verteilung des Flusses zwischen Arbeitsluftspalt und Nebenschluss zu einer erheblichen Verminderung der magnetischen Haltekraft am Anker. Bei Auslegung und Einstellung des federnden Abnschlags ist entsprechend zu berücksichtigen, dass eine hinreichende Erschütterungsunempfindlichkeit des Systems erhalten bleibt (Unempfindlichkeit gegen versehentliche Auslösung). Um die Unempfindlichkeit gegen versehentliche Auslösevorgänge durch Erschütterungen oder auch durch von Störfeldern induzierte Gegenerregungen zu verbessern, kann mit einer zusätzlichen elektrischen Erregung gearbeitet werden. Hierzu kann die Auslösespule verwendet und entgegen derjenigen Richtung bestromt werden, die zur Auslösung gebraucht wird. Es kann aber auch eine zusätzliche Wicklung verwendet werden.

[0014] Der Selbsthaltemagnet gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine der folgenden Ausgestaltungen aufweisen:

1. Variabler Nebenschluss durch Ausführung als Umkehrhubmagnet

[0015] Der Umkehrhubmagnet kann einen variabel gestalteten Nebenschluss aufweisen. Das bedeutet, dass beim Ablösen des Ankers - also während der Arbeitsluftspalt noch von der Größenordnung seines Restluftspaltes ist - eine Bewegung des Ankers, die den Arbeitsluftspalt vergrößert, eine Verringerung der Reluktanz des Nebenschlusses zur Folge hat. Hierzu kann die Erfindung als Umkehrhubmagnet ausgeführt werden, wobei eine Stirnfläche des Ankers zusammen mit dem Rahmen den Arbeitsluftspalt des Selbsthaltemagneten bildet. Das gegenüberliegende Ende des Ankers kann den Nebenschluss bilden, wobei der Nebenschluss als Anker-Ankergegenstück-System ausgeführt wird, welches vorzugsweise so ausgelegt wird, dass die höchste "Kraftkonstante" am Hubanfang auftritt (also in derjenigen Position, in welcher der Arbeitsluftspalt bis auf einen Restluftspalt geschlossen ist; die "gespannte" Lage). Folglich wird in dieser Ausführungsweise der Erfindung dem Anker ein permanentmagnetisch erzeugter magnetischer Fluss zugeführt, der entsprechend den zugehörigen Reluktanzen auf Arbeitsluftspalt (ohne Kennlinienbeeinflussung) und Nebenschluss (mit Kennlinienbeeinflussung, wirkt, den Arbeitsluftspalt zu öffnen) verteilt wird. Die Gegenerregung mit Hilfe der zugehörigen Spule bewirkt dann eine Zunahme der auf den Anker wirkenden Reluktanzkraft am Nebenschluss und eine Abnahme der Reluktanzkraft an der "Haltefläche", also am Arbeitsluftspalt. Nebenschluss und Speicherfeder üben auf den Anker Kraft in der gleichen Richtung aus (den Arbeitsluftspalt zu öffnen).

2. Nutzarbeit aus Verminderung der Reluktanz des variablen Nebenschlusses mit Hilfe eines zweiten Ankers

[0016] Eine Verkleinerung des flussführenden Nebenschluss-Luftspaltes (Abnahme von dessen Reluktanz) kann auch mit Hilfe eines zweiten Ankers ("Nebenschluss-Anker") erfolgen. Dieser Anker ist beweglich so angeordnet, dass er den ohnehin kleinen Nebenschluss-Luftspalt bis auf einen Restluftspalt zu schließen vermag. Die auf den Nebenschluss-Anker wirkende Reluktanzkraft kann über eine mechanische oder hydraulische Vorrichtung mit oder ohne Transmission auf den Anker übertragen werden, den Arbeitsluftspalt zu öffnen (die Kraft auf den "Nebenschluss-Anker" soll also in der gleichen Richtung auf den (Arbeits-)Anker des Selbsthaltemagneten wirken wie die Kraft der Speicherfeder). Zur Kraftübertragung geeignet ist ein einfacher Stößel. In gespanntem Zustand des Antriebs befindet sich der Nebenschluss-Anker in einer Position, in welcher die Reluktanz des Nebenschlusses möglichst gleich der Reihenreluktanz des oder der (Arbeits-)Restluftspalte(s) ist. Wird nun eine Gegenerregung erzeugt, steigt die auf den Nebenschluss-Anker wirkende Kraft und wird in Richtung der auf den (Arbeits-)Anker wirkenden (Speicher-)Federkraft auf den (Arbeits-)Anker übertragen, wirkt also dahingehend, diesen aus seiner Hubanfangslage zu lösen. Gleichsam wird die magnetische Haltekraft durch die Gegenerregung gemindert. Bewegung von Anker und Nebenschlussanker bewirkt schließlich eine Abnahme der Reluktanz des Nebenschlusses sowie eine Zunahme der Reluktanz des Arbeitsluftspaltes.

[0017] Der magnetische Federspeicher gemäß der vorliegenden Erfindung kann bedarfsweise folgende weitere Merkmale aufweisen:

• geringe Totzeit, d.h. kurze Zeit zwischen Bestromungsbeginn und einsetzender Ankerbewegung
• kein Versagen auch bei, verglichen mit üblichen Selbsthaltemagneten, hohen Gegenerregungen.

[0018] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:

Fig. 1a

einen Längsschnitt durch einen Selbsthaltemagneten gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 1b

einen Querschnitt durch einen Selbsthaltemagneten gemäß dem ersten Beispiel der vorliegenden Erfindung.

[0019] In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten mit jeweils gleicher oder ähnlicher Bedeutung.

[0020] In Fig. 1a und Fig. 1b. ist ein Ausführungsbeispiel zu sehen für einen erfindungsgemäßen Selbsthaltemagneten mit Feder, der einen Nebenschlussanker aufweist. Ein federnder Anschlag ist nicht abgebildet, kann aber vorteilhaft hinzugefügt werden. Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch den näherungsweise rotationssymmetrischen Antrieb. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgerecht, bietet dem Entwickler aber eine gute Grundlage für FEM-Optimierungen. Das Ausführungsbeispiel dient nur der Erläuterung und ist keinesfalls als Einschränkung zu sehen.

[0021] Die einzelnen abgebildeten Bestandteile des Antriebs können aus folgenden Werkstoffen bestehen:

• 10 Stößel, mit dem Arbeitsanker verschweißt, Austenitischer Edelstahl (NiCr)
• 11 Arbeitsanker, Silizium-Eisen (FeSi)
• 20 Mitnehmer, mit dem Nebenschlussanker verschweißt, (NiCr)
• 21 Nebenschluss-Anker (FeSi)
• 30 äußeres Rahmenteil (FeSi)
• 31 inneres Rahmenteil (FeSi)
• 32 weiteres äußeres Rahmenteil (FeSi)
• 40 Ankerführung (Messing)
• 41 Flussrückführung (FeSi)
• 42 Nebenschlussanker-Anschlag (NiCr)
• 50 Feder (Federstahl, kann vorteilhaft als Wellringfeder ausgeführt werden)
• 60 Widerlager für Feder und Gleitlager(buchse) für Stößel (Bronze)
• 70 Spule, gewickelt in die Nut des Rahmenteils (Kupfer-Lackdraht)
• 80 Permanentmagnet (insb. NdFeB)

[0022] Auf einen Spulenkörper kann verzichtet werden, wenn bspw. die Nut, in welcher die Spule liegt, isolierend lackiert ist.

[0023] δ10 und δ11 sind die (in Reihe geschalteten) Arbeitsluftspalte in der gespannten Hubanfangslage und daher bis auf (nicht dargestellte) Restluftspalte geschlossen. δ20 ist der Nebenschluss-Luftspalt, der vom Nebenschluss-Anker 21 zum Verrichten von Arbeit genutzt wird. Das innere Rahmenteil 31 ist im Bereich des Arbeitsluftspaltes δ10 angefast.

[0024] Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf den Antrieb mit entfernter Ankerführung und entferntem Arbeitsanker und Stößel. Zu sehen sind die aus radial polarisierten Kreissegmenten bestehenden Permanentmagnete, die sich in Aussparungen des (weichmagnetischen) Rahmens befinden. 33 sind konstruktive magnetische Nebenschlüsse, wobei die Magnete so zu dimensionieren sind, dass diese konstruktiven magnetischen Nebenschlüsse 33 sättigen, sodass eine magnetische Spannung zwischen dem inneren Rahmenteil 31 und dem äußeren Bereich mit äußerem Rahmenteil 30, 32 und Flussrückführung 41 auftritt. Die Bauweise mit radial polarisierten Kreissegmenten, konstruktiven (gesättigten) Nebenschlüssen usw. ist zwar vergleichsweise aufwendig, ermöglicht aber eine besonders hohe Maßhaltigkeit und kommt somit der grundsätzlichen Forderung nach geringen Restluftspalten sehr entgegen.

Funktionsweise:

[0025] Nebenluftspalt δ20 ist in der dargestellten Hubanfangslage (gepannter Zustand) von möglichst gleicher Reluktanz wie die Reihenschaltung δ10, δ11 (jedoch von größerem Querschnitt). Aus Sicht der Spule kann sich hierdurch ein polarisierter (sic!) Magnetkreis geringer Reluktanz ergeben, was große Kraftkonstanten (N/A) ermöglicht. Der Nebenschlussanker 21 wirkt über den Mitnehmer 20 auf den mit dem Arbeitsanker verschweißten Stößel 10 und hilft so zusätzlich, die Haltekraft, welche über δ10 und δ11 vermittelt wird, zu überwinden und den Arbeitsanker zu beschleunigen. Infolge der Reihenschaltung (sic!) von δ10 und δ11 bewirkt eine Öffnung dieser Restluftspalte um eine gegebene (kleine) Länge näherungsweise eine doppelt so hohe Zunahme derer Reihen-Reluktanz, wie dies bei einem einfachen (kleinen) Arbeitsluftspalt der Fall wäre. Gleichsam setzt sich der Nebenschlussanker 21 in Bewegung und hilft nicht nur vermittels Mitnehmer 20, den Arbeitsanker zu bewegen, sondern entzieht den Arbeitsluftspalten δ10, δ11 zusätzlich Fluss, da ja eine schließende Bewegung des Nebenschluss-Ankers zu einer Verminderung der Reluktanz des Nebenschlusses führt und dieser bezüglich des permanentmagnetisch erzeugten Flusses mit den Arbeitsluftspalten parallel geschaltet ist. Wie gesagt kann die (elektrische) Empfindlichkeit dieses Antriebs weiter erhöht werden, indem er mit einem federnden Anschlag geeigneter Steifigkeit ausgerüstet wird. Dieser Anschlag (nicht eingezeichnet) kann beispielsweise von einer Tellerfeder Gebrauch machen und auf den Stößel 10 wirken. Vorspannen der Tellerfeder oder Veränderung derer Ruhelage, wobei die Feineinstellung vermittels Schrauben mit Feingewinden erfolgen kann, ermöglicht dann eine Justierung der elektrischen Empfindlichkeit des Antriebs. Es kann vorteilhaft sein, den erfindungsgemäßen Antrieb mit einer Diode in Reihe zu schalten und parallel zum Antrieb einen Varistor zu schalten, denn während des Öffnens wird in der Spule eine Spannung induziert, welche der Auslösespannung entgegengesetzt ist. Eine solche äußere Beschaltung kann die Auslösezeit erheblich verkürzen. Unter Verwendung eines federnden Anschlags verläuft eine Auslösung folgendermaßen:
Elektrische Gegenerregung vermindert den Fluss durch Arbeitsluftspalte δ10, δ11 und erhöht jenen durch Nebenschluss-Luftspalt δ20. Durch den federnden Anschlag führt dabei schon eine minimale Bestromung zu einem gewissen Ausfedern. Infolge dieses Ausfederns erhöhen sich δ10 und δ11, derweil δ20 entsprechend abnimmt (da der Nebenschluss-Anker 21, durch Reluktanzkraft beschleunigt, dem Stößel 10 folgt). Weil die genannten Luftspalte alle klein sind, führt diese kleine Auslenkung des Systems - das Ausfedern - zu einer ausgeprägt anderen Verteilung des permanentmagnetisch erzeugten Flusses: Der Fluss durch die Arbeitsluftspalte δ10, δ11 nimmt ab, jener durch den Nebenschluss nimmt zu. Die rapide Zunahme der auf den Nebenschluss-Anker 21 wirkenden Kraft trägt zum Auslösen des Selbsthaltemagneten bei und ermöglicht wegen der zusätzlich über Mitnehmer 20 und Stößel 10 auf den Arbeitsanker 11 übertragenen Kraft und des magnetischen "Kurzschließens" der Arbeitsluftspalte δ10, δ11 auch eine erhebliche Verkürzung der erzielbaren Stellzeiten, denn in der Umgebung der Hubanfangslage stehen bei herkömmlichen Selbsthaltemagneten, jedenfalls bei geringen Auslöseleistungen, nur kleine Kräfte aus der Differenz der Federkraft und der Reluktanzkraft zur Beschleunigung des Ankers zur Verfügung. Im Ausführungsbeispiel dagegen wird die die Ankerbewegung hemmende Reluktanzkraft mit dem zugehörigen Fluss infolge der Bewegung des Nebenschluss-Ankers kurzgeschlossen, während der Arbeitsanker 11 durch die auf Nebenschlussanker 21 wirkende Reluktanzkraft zusätzlich zur Federkraft angetrieben wird).

Ansprüche

1. Selbsthaltemagnet, umfassend:

- einen Magnetkreis umfassend einen Stator und einem ersten Anker (11);

- einen Anschlag;

- eine durch den Anschlag definierte Hubanfangslage, in welcher zwischen Stator und erstem Anker ein oder mehrere Arbeits-Restluftspalte vorliegen;

- mindestens eine Feder (50), welche eine Federkraft ausübt, die den ersten Anker vom Anschlag wegdrückt;

- einen magnetischen Nebenschluss (33; 31, 520, 21, 32);

- einen oder mehrere Permanentmagnete (80) zur Erregung des Magnetkreises;

- eine oder mehrere Auslöse-Spulen (70) zur Gegenerregung des Magnetkreises,

wobei der Magnetkreis so bemessen ist, dass er seinen ersten Anker magnetisch wider die Federkraft in der Hubanfangslage zu halten vermag, wobei der magnetische Nebenschluss in der Hubanfangslage eine Reluktanz aufweist, welche von gleicher Größenordnung ist wie die Reluktanz des Arbeits-Restluftspaltes oder im Falle einer Reihenschaltung mehrerer Arbeits-Restluftspalte wie die Reihen-Reluktanz der Arbeits-Restluftspalte,
wobei Arbeits-Luftspalt(e) (510, 511) und Nebenschluss (33; 31, 520, 21, 32) bezüglich des permanentmagnetisch erzeugten Flusses magnetisch parallel geschaltet sind, bezüglich des von der(den) Auslöse-Spule(n) erzeugten Flusses aber in Reihe geschaltet sind,
wobei die Auslöse-Spule(n) derart bestromt werden, dass der magnetische Fluss in dem (den) Arbeitsluftspalt(en) geschwächt und der magnetische Fluss im Nebenschluss erhöht wird, was zum Entspannen der Feder führt, wenn die magnetische Haltekraft betragsmäßig die Federkraft unterschreitet;
dadurch gekennzeichnet,
dass der Anschlag als federnder Anschlag ausgestaltet ist, wobei der Anschlag selbst Federeigenschaften aufweist und dabei 100- bis 10.000-mal steifer ist als die mindestens eine Feder.

2. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1, wobei der magnetische Nebenschluss so ausgeführt ist, dass eine Bewegung des ersten Ankers weg aus der Hubanfangslage eine Verminderung der Reluktanz des Nebenschlusses zur Folge hat, womit der permanentmagnetisch erzeugte Fluss mit einsetzender Bewegung des ersten Ankers zunehmend auf den Nebenschluss kommutiert.

3. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 2, wobei das Kommutieren des permanentmagnetisch erzeugten Flusses auf den Nebenschluss erreicht wird, indem:

der Nebenschluss einen zweiten Anker (21) umfasst, welcher die auf ihn wirkende Reluktanzkraft beispielsweise durch einem Stößel (10) auf den ersten Anker überträgt,

sodass eine Gegenerregung durch die Auslöse-Spule(n) zur Folge hat, dass der Fluss in den Arbeitsluftspalt(en) des ersten Ankers abnimmt, der Fluss in den Arbeitsluftspalt(en) des zweiten Ankers jedoch zunimmt.

4. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 2, wobei das Kommutieren des permanentmagnetisch erzeugten Flusses auf den Nebenschluss erreicht wird, indem:

der Selbsthaltemagnet als Umkehrhubmagnet ausgeführt ist,

wobei eine Stirnfläche des Ankers zusammen mit einem Rahmen den Arbeitsluftspalt des Selbsthaltemagneten bildet, wobei das gegenüberliegende Ende des Ankers den Nebenschluss bildet, und wobei der Nebenschluss als Anker-Ankergegenstück-System ausgeführt ist, welches so ausgelegt ist, dass die höchste Kraftkonstante in der Hubanfangslage auftritt.

5. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1, wobei der federnde Anschlag 100 bis 1000 mal steifer ist als die mindestens eine Feder.

6. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der federnde Anschlag bezüglich seiner Vorspannung und/oder Position einstellbar ist, bevorzugt mit Hilfe von Gewinden.

7. Selbsthaltemagnet gemäß Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Nebenschluss nicht als geometrisch bestimmter Luftspalt ausgeführt wird sondern mit Hilfe eines Werkstoffs mit verteiltem Luftspalt.

8. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der Nebenschluss bzw. die zugehörige Flussführung derartig dimensioniert und geformt ist, dass infolge von Sättigung die Reluktanz des von der Spule gesehenen Eisenkreises dahingehend steigen kann, dass auch bei vergleichsweise hoher Gegenerregung ein unbeabsichtigtes Festhalten des Ankers in seiner Hubanfangslage oder ein unzulässig verzögertes Auslösen vermieden wird.

9. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass er mit einem Gleichrichter und einem Varistor ausgerüstet ist, wobei der Gleichrichter mit dem Selbsthaltemagneten in Reihe, der Varistor aber parallel geschaltet, und zwar so, dass bei einer Änderung der Stromrichtung in der Spule des Selbsthaltemagneten der Strom nicht länger über den Gleichrichter fließt sondern über den Varistor frei läuft.

10. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass als Feder eine Wellringfeder verwendet wird.

11. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 oder 3 gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens der oder die Anker rund ausgeführt werden und dass in den oder die Anker und/oder in Rahmenteile des Ankers Schlitze eingebracht sind und dass diese Schlitze mit einem elektrisch schlecht leitenden Lagerwerkstoff gefüllt sind, der so weit übersteht, dass er als Teil eines Gleitlagers dienen kann.

12. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass als Feder eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket besitzt, welche eine derart degressive Kennlinie aufweist, dass die Federkraft beim Entspannen der Feder zuerst zunimmt.

13. Selbsthaltemagnet nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, dass der federnde Anschlag mit Hilfe mindestens einer Biegefeder, insbesondere einer Tellerfeder, aufgebaut ist.

Claims

1. A self-holding magnet, comprising:

- a magnetic circuit comprising a stator and a first armature (11);

- a stop;

- a stroke starting position defined by the stop, in which between stator and first armature one or more working residual air gaps are present;

- at least one spring (50) which exerts a spring force which urges the first armature away from the stop;

- a magnetic shunt (33; 31, δ20, 21, 32);

- one or more permanent magnets (80) for the excitation of the magnetic circuit;

- one or more trigger coils (70) for the counter-excitation of the magnetic circuit,

wherein the magnetic circuit is dimensioned such that it is able to magnetically hold its first armature in the stroke starting position against the spring force, wherein in the stroke starting position the magnetic shunt has a reluctance which is of the same order of magnitude as the reluctance of the working residual air gap or in the case of a series connection of a plurality of working residual air gaps as the series reluctance of the working residual air gaps, wherein working air gap(s) (δ10, δ11) and shunt (33; 31, δ20, 21, 32) are magnetically connected in parallel with respect to the permanent-magnetically generated flux, but are connected in series with respect to the flux generated by the trigger coil(s),
wherein the trigger coil(s) are energized such that the magnetic flux in the working air gap(s) is attenuated and the magnetic flux in the shunt is increased, which leads to the relaxation of the spring when the amount of the magnetic holding force falls below the spring force;
characterized in
that the stop is designed as a resilient stop, wherein the stop itself has spring properties and is 100 to 10,000 times stiffer than the at least one spring.

2. The self-holding magnet according to claim 1, wherein the magnetic shunt is configured such that a movement of the first armature away from the stroke starting position results in a reduction of the reluctance of the shunt, so that the permanent-magnetically generated flux increasingly commutates onto the shunt with the onset of movement of the first armature.

3. The self-holding magnet according to claim 2, wherein commutating of the permanent-magnetically generated flux onto the shunt is achieved in that:
the shunt comprises a second armature (21) which transmits the reluctance force acting on the same to the first armature for example by means of a tappet (10), so that a counter-excitation by the trigger coil(s) leads to the fact that the flux in the working air gap(s) of the first armature decreases, but the flux in the working air gap(s) of the second armature increases.

4. The self-holding magnet according to claim 2, wherein commutating of the permanent-magnetically generated flux onto the shunt is achieved in that:
the self-holding magnet is configured as a reversing stroke magnet, wherein an end face of the armature together with a frame forms the working air gap of the self-holding magnet, wherein the opposite end of the armature forms the shunt, and wherein the shunt is configured as a system of armature and armature counterpart, which is designed such that the highest force constant occurs in the stroke starting position.

5. The self-holding magnet according to claim 1, wherein the resilient stop is 100 to 1000 times stiffer than the at least one spring.

6. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the resilient stop is adjustable in terms of its pretension and/or position, preferably by means of threads.

7. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the shunt is not configured as a geometrically specified air gap, but by means of a material with a distributed air gap.

8. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the shunt or the associated flux guidance is dimensioned and shaped such that the reluctance of the iron circuit seen by the coil can rise as a result of saturation to the effect that even with a comparatively high counter-excitation an inadvertent retention of the armature in its stroke starting position or an inadmissibly delayed triggering is avoided.

9. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that it is equipped with a rectifier and a varistor, wherein the rectifier is connected in series with the self-holding magnet, but the varistor is connected in parallel, namely such that in the case of a change of the current direction in the coil of the self-holding magnet the current no longer flows over the rectifier, but freely runs over the varistor.

10. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the spring used is a corrugated annular spring.

11. The self-holding magnet according to claim 1 or 3, characterized in that at least the armature or the armatures is/are of round design and that slots are incorporated into the armature(s) and/or into frame parts of the armature, and that these slots are filled with a bearing material of poor electrical conductivity, which protrudes to such an extent that it can serve as part of a plain bearing.

12. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the spring used is a disk spring or a disk spring pack which has such a degressive characteristic that the spring force first increases on relaxation of the spring.

13. The self-holding magnet according to claim 1, characterized in that the resilient stop is constructed by means of at least one bending spring, in particular a disk spring.

Revendications

1. Aimant à auto-maintien, comprenant :

- un circuit magnétique comprenant un stator et un premier induit (11) ;

- une butée ;

- une position de départ de la course définie par la butée, dans laquelle un ou plusieurs entrefers résiduels de travail sont présents entre le stator et le premier induit ;

- au moins un ressort (50) qui exerce une force élastique qui pousse le premier induit à s'éloigner de la butée ;

- un shunt magnétique (33 ; 31, δ20, 21, 32) ;

- un ou plusieurs aimants permanents (80) pour l'excitation du circuit magnétique ;

- une ou plusieurs bobines de déclenchement (70) pour la contre-excitation du circuit magnétique,

dans lequel le circuit magnétique est dimensionné de telle sorte qu'il est capable de maintenir magnétiquement son premier induit dans la position de départ de la course contre la force élastique,
dans lequel, dans la position de départ de la course, le shunt magnétique possède une réluctance qui est du même ordre de grandeur que la réluctance de l'entrefer résiduel de travail ou, dans le cas d'un montage en série d'une pluralité d'entrefers résiduels de travail, que la réluctance en série des entrefers résiduels de travail,
dans lequel le(s) entrefer(s) de travail (δ10, δ11) et le shunt (33 ; 31, δ20, 21, 32) sont reliés magnétiquement en parallèle par rapport au flux généré par aimant permanent, mais sont reliés en série par rapport au flux généré par la (les) bobine(s) de déclenchement,
dans lequel la ou les bobines de déclenchement sont excitées de telle sorte que le flux magnétique dans le ou les entrefers de travail est atténué et que le flux magnétique dans le shunt est augmenté, ce qui entraîne la relaxation du ressort lorsque la grandeur de la force de retenue magnétique tombe en dessous de la force élastique ;
caractérisé en
ce que la butée est réalisée comme une butée élastique, la butée elle-même possédant des propriétés de ressort et est 100 à 10.000 fois plus rigide que le au moins un ressort.

2. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, dans lequel le shunt magnétique est réalisé de telle sorte qu'un mouvement du premier induit s'éloignant de la position de départ de la course entraîne une réduction de la réluctance du shunt, de sorte que le flux généré par aimant permanent commute de plus en plus sur le shunt avec le début du mouvement du premier induit.

3. Aimant à auto-maintien selon la revendication 2, dans lequel la commutation du flux généré par aimant permanent sur le shunt est atteint par le fait que :
le shunt comprend un deuxième induit (21), qui transmet la force de réluctance agissant sur ce-ci au premier induit, par exemple au moyen d'un poussoir (10), de sorte qu'une contre-excitation par la ou les bobine(s) de déclenchement entraîne une diminution du flux dans le ou les entrefer(s) de travail du premier induit, mais une augmentation du flux dans le ou les entrefer(s) de travail du deuxième induit.

4. Aimant à auto-maintien selon la revendication 2, dans lequel la commutation du flux généré par aimant permanent sur le shunt est atteint par le fait que :
l'aimant à auto-maintien est réalisé comme un aimant à course réversible, dans lequel une face frontale de l'induit forme avec un cadre l'entrefer de travail de l'aimant à auto-maintien, dans lequel l'extrémité opposée de l'induit forme le shunt, et dans lequel le shunt est configuré comme un système d'induit et de contrepartie d'induit, qui est conçu de telle sorte que la constante de force la plus élevée se produise dans la position de départ de la course.

5. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, dans lequel la butée élastique est 100 à 1000 fois plus rigide que ledit au moins un ressort.

6. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée élastique est ajustable par rapport à sa prétension et/ou position, de préférence au moyen de filetages.

7. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le shunt n'est pas réalisé comme un entrefer géométriquement spécifié, mais au moyen d'un matériau avec un entrefer distribué.

8. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le shunt ou le guidage de flux associé est dimensionné et formé de telle sorte que la réluctance du circuit de fer vu par la bobine puisse augmenter en raison de la saturation, de sorte que même avec une contre-excitation relativement élevée une rétention involontaire de l'induit dans sa position de départ de course ou un déclenchement retardé de manière inadmissible soit évité.

9. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un redresseur et d'un varistor, le redresseur étant monté en série avec l'aimant à auto-maintien, le varistor par contre étant montée en parallèle, c'est-à-dire de telle sorte que, en cas de changement du sens du courant dans la bobine de l'aimant à auto-maintien, le courant ne circule plus sur le redresseur, mais passe librement sur le varistor.

10. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort utilisé est un ressort annulaire ondulé.

11. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins l'induit ou les induits est/sont de forme ronde et que des fentes sont incorporées dans l'induit/les induits et/ou dans des parties du cadre de l'induit, et que ces fentes sont remplies d'un matériau de palier de faible conductivité électrique, qui fait saillie au point qu'il peut servir comme partie d'un palier lisse.

12. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ressort utilisé est un ressort à disques ou un paquet de ressorts à disques qui possède une caractéristique tellement dégressive que la force élastique augmente d'abord lors de la relaxation du ressort.

13. Aimant à auto-maintien selon la revendication 1, caractérisé en ce que la butée élastique est construite au moyen d'au moins un ressort de flexion, en particulier un ressort à disques.

Zeichnung